激光原理及特性

01什么是激光？

—能級：物質是由原子組成，而原子又是由原子核及電子構成。電子圍繞著原子核運動。而電子在原子中的能量不是任意的。描述微觀世界的量子力學告訴我們，這些電子會處于一些固定的“能級”，不同的能級對應于不同的電子能量，離原子核越遠的軌道能量越高。此外，不同軌道可最多容納的電子數(shù)目也不同，例如最低的軌道（也是最近原了核的軌道）最多只可容納2個電了，較高的軌道上則可容納8個電子等等。

—躍遷：電子可以通過吸收或釋放能量從一個能級躍遷到另一個能級。例如當電子吸收了一個光子時，它便可能從一個較低的能級躍遷至一個較高的能級。同樣地，一個位于高能級的電子也會通過發(fā)射一個光子而躍遷至較低的能級。在這些過程中，電子釋放或吸收的光子能量總是與這兩能級的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。

02 激光產(chǎn)生的原理

—受激吸收

受激吸收就是處于低能態(tài)的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態(tài)。電子可通過吸收光子從低能級躍遷到高能級。

—受激輻射

受激輻射是指處于高能級的電子在光子的“刺激”或者“感應”下，躍遷到低能級，并輻射出一個和入射光子同樣頻率的光子。受激輻射的最大特點是由受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的原來的光子具有完全相同的狀態(tài)。它們具有相同的頻率,相同的方向，完全無法區(qū)分出兩者的差異。這樣，通過一次受激輻射，一個光了變?yōu)閮蓚�相同的光了。這意味著光被加強了，或者說光被放大了。這正是產(chǎn)生激光的基本過程。

—自發(fā)輻射

是指高能級的電子在沒有外界作用下自發(fā)地遷移至低能級，并在躍遷時產(chǎn)生光(電磁波)輻射，輻射光子能量為U=E2-E1,即兩個能級之間的能量差。

03 激光產(chǎn)生的條件

—激光工作介質

激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質，可以是氣體、液體、固體或半導體。關鍵是能在這種介質中實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，以獲得產(chǎn)生激光的必要條件。顯然，亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，對實現(xiàn)粒子數(shù)反轉是非常有利的。

—激勵源

為了使工作介質中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質，稱為光激勵；還有熱激勵、化學激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數(shù)比下能級多。

—諧振腔

有了合適的工作物質和激勵源后，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強度很弱，無法實際應用。還需要將輻射的光進行放大，于是人們就想到了用光學諧振腔進行放大。所渭光學諧振腔，實際是在激光器兩端，平行裝上兩塊反射率很高的鏡片，一塊為全反射鏡片，一塊為部分反射、少量透射鏡片。全反射鏡片的作用是將入射的光全部按原路徑反射回去，部分反射鏡片的作用是將能量未達到一定限度的部分光子按原路徑反射回去，而達到一定能量限度的光子則透射而出。這樣，透射而出的這部分光子就成為我們需要的，經(jīng)過放大了的激光；而被反射回工作介質的光，則繼續(xù)誘發(fā)新一輪的受激輻射，光將逐漸被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強烈的激光，直到能量達到一定的限度，從部分反射鏡片中輸出。

04 什么是泵浦燈？

氙燈為惰性氣體放電燈，我們使用的燈的形狀多為直管形。其結構一般都是由電極、燈管和充入的氙(Xe)氣體組成。電極是用高熔點、高電子發(fā)射率，又不易濺射的金屬材料制成。燈管用機械強度高、耐高溫、透光性好的石英玻璃制成。燈管內充入氙氣。

05 什么是Nd YAG激光棒？

Nd:YAG(摻釹的釔鋁石榴石)是目前最常用的一類固體激光器YAG是一種立方結構晶體，質地很硬、光學質量好、熱導率高。用三價釹代替了晶體中部分的三價釔，因此稱為摻釹的釔鋁石榴石。

06 激光特點

—相干性好

普通光源上不同點發(fā)出的光在不同方向上、不同時間里都是雜亂無章的，經(jīng)過透鏡后也不可能會聚在一點上。激光與普通光相比則大不相同。因為它的頻率很單純，從激光器發(fā)出的光就可以步調一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點上，把能量高度集中起來,這就叫相干性高。

—方向性強

激光的方向性比現(xiàn)在所有的其他光源都好得多，它幾乎是一束平行線。如果把激光發(fā)射到月球上去，歷經(jīng)38.4萬公里的路程后，也只有一個直徑為2km左右的光斑。

—單色性好

受激輻射光（激光）是原子在發(fā)生受激輻射時釋放出來的光，其頻率組成范圍非常狹窄，通俗一點講，就是受激輻射光單色性非常好，激光的“顏色”非常的純（不同顏色，實際就是不同頻率)。激光的單色性是實現(xiàn)激光加工的重要因素。

—亮度高

激光焊接原理及特性

01 激光焊接原理

激光焊接是利用激光束優(yōu)異的方向性和高功率密度等特性進行工作，通過光學系統(tǒng)將激光束聚焦在很小的區(qū)域內，在極短的時間內使被焊處形成一個能量高度集中的熱源區(qū)，從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點和焊縫。

02 激光焊接優(yōu)勢

與其它焊接方式相比，激光焊接具有以下特性：

1.能量集中，焊接效率高、加工精度高，焊縫深寬比大。

2.熱輸入量小，熱影響區(qū)小，工件殘余應力和變形小。

3.非接觸式焊接，光纖傳輸，可達性較好，自動化程度高。

4.接頭設計靈活，節(jié)省原材料。

5.焊接能量可精確控制，焊接效果穩(wěn)定，焊接外觀好。

03 金屬材料的激光焊接工藝

1.不銹鋼使用普通方波即可獲得良好的焊接效果。

2.設計焊接結構時，盡量使焊點遠離非金屬物質。

3.為滿足強度及外觀要求，應盡量預留足夠的焊接區(qū)域及工件厚度。

4.焊接時應保證工件的清潔度及環(huán)境的干燥度。

1.鋁合金材料反光率很高，焊接時需要較高的激光峰值。

2.脈沖點焊時易產(chǎn)生裂紋，影響焊接強度。

3.材料成份容易產(chǎn)生飛濺，應選擇較好的原材料。

4.一般使用大光斑和長脈寬可以取得較好的焊接效果。

1.銅材料反光率相比鋁合金更高，焊接微光峰值更高，激光頭需傾斜一定角度。

2.針對一些銅合金，如黃銅、白銅等，受合金元素影響，焊接難度較大，焊接時需注意工藝參數(shù)的選擇。

激光焊接常見缺陷及應對措施

激光焊接時工藝參數(shù)不正確，措施不良，往往會導致一些焊接缺陷的產(chǎn)生:

1.焊點表面飛濺

2.內部焊接氣孔

3.出現(xiàn)焊接裂紋

4.產(chǎn)生焊接變形

01 焊點表面飛濺

激光焊接時產(chǎn)生飛濺的主要原因是激光功率密度過高，工件在短時間內吸收了較多的激光能量，材料嚴重氣化，熔池反應劇烈形成焊接飛濺，飛濺不僅影響工件的外觀和裝配精度，更會影響焊接強度，造成產(chǎn)品不良。

02 形成原因是什么？怎么防治？

引起飛濺具體原因，可以歸納為以下幾點：

1.微光峰值功率過高，形成焊接飛濺。

2.焊接波形不合適，對高反射率材料未使用合適波形焊接。

3.材料成份偏析，造成局部吸收率提高，形成焊接飛濺。

4.工件表面有污物或非金屬物質，造成吸收率提高，形成焊接飛濺。

5.兩工件之間或工件底部有低熔點物質，焊接時形成大量氣體，造成飛濺。

6.焊接部位形成中空的封閉空間，焊接時空間內的空氣受熱膨脹形成飛濺。

一般從以下幾個方面來改善焊接效果，防止焊接飛濺：

1.優(yōu)化焊接焊接工藝參數(shù)，如降低峰值功率或使用尖峰波。

2.選用合格優(yōu)質的原材料。

3.加強焊前清洗，祛除油污雜質。

4.合理設計焊接結構。

03 焊點內部氣孔

氣孔是激光焊接中最常見的缺陷，激光焊接熱循環(huán)快，熔池存在的時間短造成焊接時形成的氣體來不及從熔池中溢出，從而形成焊接氣孔。

微光焊接時常見的氣孔一般可以分為以下幾類：氫氣孔；一氧化碳氣孔；小孔坍塌氣孔。

04 焊接裂紋

激光焊接時裂紋危害很大，嚴重影響工件的焊接強度，降低工件的使用壽命，因此預防裂紋有重要意義，激光焊接加熱冷卻時間快，加大了材料產(chǎn)生裂紋的幾率必須采取一定措施加以改善。

激光焊接主要生成的是熱裂紋，在焊接鋁合金和高碳高合金鋼時常常產(chǎn)生裂紋，預防措施如下：

1.焊接某些牌號的鋁合金或高碳高合金鋼時，由于材料脆硬傾向大，在波形上需增加預熱跟緩冷波段，以減少裂紋傾向或降低開裂程度，增加焊接強度。

2.在焊接接頭選擇設計時，盡量減少焊接應力的產(chǎn)生，降低焊接時的裂紋傾向。

3.選擇合適的焊接材料，在同等性能的情況下，盡量選用裂紋傾向小的材料。

05 焊接變形

在焊接薄板大幅面多焊點時，往往易產(chǎn)生焊接變形，影響后期工件裝配精度和使用性能，焊接時一種局部加熱的材料加工方式，焊接變形形成的原因是工件各部分焊接熱輸入不均勻，熱脹冷縮不一致造成焊接變形，因此需要從變形產(chǎn)生的原因加以預防或改善：

1.優(yōu)化工藝參數(shù)，減少熱輸入量，如增加激光峰值，減小焊接脈寬，在不影響焊接表面質量的前提下可有效減小焊接變形量。

2.降低焊接速度和平率，使單位時間內輸入工件的熱量減小，則焊接變形量隨之減小。

3.優(yōu)化焊接順序，使工件各部分受熱均勻，也是減小焊接變形的一種有效方法。

轉自：億升激光

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